科学家驱动电子束 以超高效方式解决特氟龙垃圾问题

2025年08月03日 07:38 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

有没有想过那些涂有特氟龙涂层的旧煎锅会被如何处理?答案并不多,它们大多数都被扔进了垃圾填埋场。然而,日本国家量子科学技术研究所(QST)开发的一种新型回收技术,承诺实现100%的回收效率。

特氟龙是科学界一个绝佳的意外发现的例子。1938年4月,杜邦公司的化学家罗伊·J·普兰克特(Roy J. Plunkett)正在研发一种新型、更安全的氯氟烃制冷剂,这种制冷剂不像当时冰箱里使用的制冷剂那样具有爆炸性和毒性。

他正在研究四氟乙烯(TFE)气体与盐酸的混合反应,想看看它们会如何反应。这时,他发现一个放在干冰上的气瓶似乎是空的,但重量仍然和满的一样重。切开气瓶,他发现了一种滑溜溜的白色粉末,原来是TFE自发聚合,变成了聚四氟乙烯(PTFE)。

我们现在知道它的商品名是“特氟龙”。

起初,这种生产成本高昂的化学物质显得有些奇怪,但没人能想出该如何利用它。从化学角度来看,它极其惰性。没有任何东西能够溶解或降解它。它不会与活体组织发生相互作用。水和油,实际上几乎没有任何东西能够粘附在它上面,液体会凝结成珠并流走。它几乎没有摩擦力,在很宽的温度范围内都能保持其化学和物理特性,是极好的电绝缘体,不会燃烧,而且耐用且柔韧。这是寻找问题的解决方案的经典案例。

如果不是曼哈顿计划制造了第一颗原子弹,特氟龙很可能最终会被摆在杜邦实验室的架子上,在《化学和物理手册》中默默无闻。长话短说,橡树岭国家实验室负责提炼原子弹所需铀的科学家们,在分离铀同位素时,遇到了腐蚀性极强的六氟化铀的问题。

出于一些至今仍未公开的原因,当时被称为聚四氟乙烯的物质恰好可以用来保护阀门、管道和其他设备,防止它们残留。于是,这种奇怪的粉末就此获得了化学上的立足点。

到了20世纪50年代,特氟龙有了正式的名称,并在化工、电子、工程和其他领域得到了广泛的应用。它最终被用于食品加工、电线绝缘、电路板、轴承、衬套、密封件、阀门、导管、电容器、建筑、纺织品和飞机部件。

随后,在 20 世纪 60 年代初,随着第一批不粘锅的问世,不粘锅一炮打响,进入了消费市场。尽管不粘锅容易刮花,而且锅里的铝保温性能很差,但这种锅仍然非常受欢迎,但这只是一个更喜欢熟铸铁锅的人的看法。非常喜欢。

这个化学成功的故事本身就很美好,如果不是因为一个挥之不去的问题,我们或许可以就此结束。特氟龙之所以成为神奇的塑料,其特性也使其极难回收。事实上,大多数回收项目都不会接受特氟龙锅具,它们最终会被填埋。

特氟龙是可以回收的,但这是一个漫长而艰难的过程,需要将特氟龙与其涂层分离、研磨、高温处理,然后再加入化学药剂。单是加热这一步就非常耗能,成本也非常高昂。

现在,QST团队提出了一种处理特氟龙的新方法,该方法基于使用电子束分解塑料分子。具体方法是将特氟龙在空气中加热至370°C(698°F),然后用5兆吉(MGy)的电子束进行照射。这种方法通过改变分子的内部结构,以100%的效率分解聚合物,生成可回收利用的氧化氟碳化合物和全氟碳化合物,从而制造新产品。

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电子束回收过程图

这也意味着显著的成本节约和更低的大气排放量,因为电子束仅使用传统高温热解方法一半的能量。

现在的希望是将新的回收工艺从实验室中推出并加以改进,以便能够扩大到工业水平。

该研究项目负责人前川康成博士表示:“我们希望这项技术能够促进高性能塑料更安全、更清洁、更经济的回收。”

该研究发表在《辐射物理和化学》杂志上。

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